浅析一种沙漠植树钻孔机械的设计

张艺博，谢艳梅，周小愉

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710399）

1 研究背景

随着经济的快速发展，我国环境状况日益恶劣，特别是荒漠化和沙化问题日益严重，我国是世界上荒漠化、沙化面积最大的国家，荒漠化发生率居于高位，为了应对这一问题，改善我国环境现状，国家大力提倡生态造林项目，积极推进我国林业的发展，但土地荒漠化和沙化的趋势尚未得到根本改变，全国还有31万km2具有明显沙化趋势的土地。

在荒漠地区植树，尤其在沙漠上植树是十分困难的，传统的植树方式人工的劳动强度大，效率低下，而已有的大型植树机械面临着诸如地形等作业环境的限制，而中小型植树机械钻孔深度有限停留在表层，且缺少配套的灌溉注水装置，极大的降低了树苗的成活率。

2 设计思路

沙漠植树机械是机械化植树造林的主要设备，按坑形分，沙漠植树机械可分为连续开沟式、间断开沟式和选择挖坑式三种，如图1所示，连续开沟式和间断开沟式植树机在工作时，开沟器切开、破碎和推移土壤，形成连续或间断的栽植沟。苗木按规定的栽植深度和株距被栽入沟内，覆土压实轮随即推拥苗木周围的土壤并压实。这两种机械只适用于较平坦的地区，而且其破坏地表原有植被很严重，栽种树苗的对中性较差，不适用于本来地表植被很少的荒漠化地区。本文中的沙漠植树钻孔机械为选择挖坑式，可以定点植树，对生态破坏小，可应用于山地与丘陵地带等多种地形。

图1 植树机械坑形分类

3 结构设计与工作原理

本文中所设计的沙漠植树钻孔器由环形钻筒、钻杆、钻头夹具、钻头、托架、水箱、车轮盘、车轮等部件组成，该沙漠植树钻孔器是一种双层套管型的金属管状植树器，可以在沙漠针对松散的沙土快速省力的钻出所种植树苗孔径大小的孔洞，并且可以针对不同树苗类型依据钻筒孔壁刻度线调整钻进深度（图2）。

图2 沙漠植树钻孔机械结构图

沙漠植树钻孔器的托架侧端安装有轴承，轴承外圈与车轮盘固结，车轮盘呈120°三角形，车轮安装在车轮盘上，可随车轮盘作圆周运动，复杂爬坡地形，车轮盘调整方位角使车轮旋转到固定角度以适应不同地形需要；环形钻筒固定安装在托架一侧的圆孔内，螺栓穿过环形钻筒的限位孔相切与钻杆的滑槽，一字连接件Ⅱ一端孔与螺栓形成间隙配合，另一端铆接于转动轴，一字连接件Ⅰ与钻杆通过第一销轴连接并限制在环形钻筒的滑道内，一字连接件Ⅰ左端孔与第二销轴连接，钻杆末端与驱动电机固结，驱动电机输出轴与钻头夹具相连，钻头夹具夹紧钻头，驱动电机输出轴带动钻头夹具及钻头旋转运动，牵引推拉杆带动钻孔植树器到达指定作业位置，通过向下压动第二销轴，迫使第二销轴带动钻杆在环形钻筒的滑道内运动，配合钻头的旋转实现钻孔作业；托架另一侧放置有水箱，水箱通过引流管将水箱内的水引至钻孔作业位置处，避免钻头钻进过程因沙地松软导致的孔壁坍塌，同时浸湿土壤，为后续栽植的树苗提供一个湿润的生存环境。环形钻筒滑道两侧标有刻度线，可直观测量钻头钻进深度，钻头钻进至指定深度后，驱动电机停止旋转，向上提拉第二销轴，钻头螺旋叶片裹挟沙屑向孔外运动，牵引推拉杆带动钻孔植树器移动至下一作业点，至此，钻孔作业整个过程完成，树苗可插入钻好的孔内，将沙土填平即可；可根据不同类型的树苗选取更换不同尺寸的钻头，满足钻孔植树要求。

4 压杆受力分析

钻进过程主要通过对一字连接件施加向下的压力，带动销轴在环形钻筒滑道内滑动，进而实现钻头向下钻进，现对一字连接件进行受力分析。AC=450mm，AD=100mm；选取LVIB3×14×30.25 GB/T 2088的弹簧；考虑润滑环型套筒管壁的摩擦系数f=0.3（图3）。

图3

初始状态，杆件自然下垂，压动钻杆钻进所需要的初始压力F为

式中，F为D点作用的压力；K为弹簧得刚度；LAC为AC段长度；X为弹簧伸长量；L弹为弹簧原长度。

代入公式计算得F=54.225N≈5.5kgf

中间状态，杆件旋转到某一角度时，钻头向沙地所施加得最大钻进压力P（忽略杆件及钻头自重）：

图4

化简得：

式中，X´为弹簧伸长量；f为环形钻筒孔壁动摩擦系数；P为钻杆对沙地的压力。

代入公式计算得出如表1所示。

表1

由上述数据可得当施加一定时，角度与之间有如下关系：随着角度的增大，大小近似呈线性减小，故为保持钻孔过程中钻进压力，对一字连接件施加的压力也应随角度增大而按比例增加。

5 结语

本文设计的沙漠植树钻孔机械结构简单、使用方便，改善了传统的钻孔方式较为单一、孔壁容易塌陷合拢、孔深较浅树苗种植受到制约等缺点，可根据不同树苗类型，更换钻头大小以满足钻进孔径、孔深等需求，架体可与水箱营养液相配套，极大的提高了树苗栽种的成活率，并分析了钻杆钻进所需要的初始压力及钻进过程中角度与钻杆压力间的关系，本文设计的沙漠植树钻孔机械可以大幅提升现阶段沙漠植树钻孔种植的效率，弥补了大型机械设备无法实施作业等地形的空缺，对于抑制土地荒漠化与植树绿化领域有着重要意义。